Prednáška č.1
Jednosmerné motory
Elektrické pohony
mechatronických systémov
2014/2015
Prednáška 1 - Úvod
EPMS
Informácie o predmete
Prednášky:
Ing. Milan Uhrík, PhD.
[email protected]
C 010
Ing. Igor Bélai, PhD.
[email protected]
D 126
Cvičenia:
Ing. Milan Uhrík, PhD.
T4-b, T118b, ...
Rozdelenie bodov:
cvičenia:
skúška:
40 b (zápočet)
60 b
2
Prednáška 1 - Úvod
EPMS
Harmonogram prednášok
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
Pr.
1:
2:
3:
4 – 5:
6:
7:
8:
9:
10:
11:
12:
Jednosmerné motory
Jednosmerné a striedavé motory s PM
Krokové motory
Striedavé asynchrónne motory
Polovodičové meniče frekvencie
Riadenie striedavých motorov
Riadiaci systém servopohonu
Generátor momentu pre ASM a SM
Rýchlostné servosystémy
Polohové servosystémy
Prípadové štúdie
Motory
Meniče
Pohony
3
Prednáška 1 - Úvod
EPMS
Literatúra
• Žalman M.: Akčné členy , STU Bratislava 2003
• Cáha Z., Černý M.: Elektrické pohony , SNTL Praha 1990
• Leonhard W.: Control of Electrical Drives, Springer,
Verlag 1996
• Hruškovič L.: Elektrické stroje, STU Bratislava 2004
4
Prednáška 1 – Základné pojmy
EPMS
Základné pojmy
El. motor
– el. stroj meniaci elektrickú energiu na
mechanickú (rotačný/translačný pohyb)
El. generátor – el. stroj meniaci mechanickú energiu na
elektrickú
Alternátor – generátor striedavého prúdu
Dynamo
– generátor jednosmerného prúdu
Rekuperácia – Návrat el. energie do zdroja pri brzdení
El. pohon
- regulačný obvod zložený z riadiacej a
výkonovej časti určený na reguláciou
momentu/rýchlosti/polohy mechatronického
systému
5
Prednáška 1 – Základné pojmy
EPMS
Základné pojmy
Moment
– točivý moment vyvíjaný rotorom elektrického
stroja
Účinník cos - udáva, aká časť zdanlivého príkonu sa
premení na činný príkon
Účinnosť
– udáva, aká časť činného príkonu sa premení
na užitočný výkon
ORO – otvorený regulačný obvod (bez spätnej väzby)
URO – uzavretý regulačný obvod (so spätnou väzbou)
6
Prednáška 1 – Základné pojmy
EPMS
Základné pojmy
Analógia medzi posuvnými a rotačnými veličinami:
Veličina
Posuvný pohyb
Rotačný pohyb
Hmotnosť / Moment
zotrvačnosti
m [kg]
J [kg.m2]
Sila / Moment
F [N]
M [Nm]
Poloha / Natočenie
d [m]
 [rad]
Rýchlosť / Uhlová
rýchlosť
v [m/s]
 [rad/s]
Zrýchlenie / Uhlové
zrýchlenie
a [m/s2]
 [rad/s2]
7
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Jednosmerné (DC) motory
Historicky prvé motory používané
v elektrických pohonoch
Generujú moment pri napájaní DC
napätím
Výhody: cena (?), spoľahlivosť (?),
jednoduché riadenie
Nevýhody: údržba, kratšia
životnosť
V súčasnosti sa ich používanie
obmedzuje
8
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Princíp pôsobenia
Sila pôsobiaca na prúdovodič v magnetickom poli:
Mechanický moment:
Max. elektromagnetický moment:
Spriahnutý magnetický tok:
9
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
Magnetické polia v JM:
• Stacionárne magnetické polia
• Rotor (kotva) sa snaží natočiť tak,
aby sa siločiary budenia a kotvy
zoradili súhlasne najkratšou
cestou.
EPMS
Budiace
statorové pole
Pole rotora
(kotvy)
• Výsledné magnetické pole je
ovplyvnené reakciou kotvy, ktorá
sa prejavuje najmä pri väčšom
zaťažení stroja.
Výsledné
pole
10
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Konštrukcia jednosmerných motorov
Základné konštrukčné časti:
Stator:
• kostra
• póly budenia
• pólové nástavce
• pomocné póly
(komutačné vinutie)
• budiace vinutie
• kompenzačné vinutie
• kefy komutátora
• svorkovnica
Rotor (kotva) :
• železné jadro z plechov
• vinutie
• lamely komutátora
11
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Budenie
Vytvára hlavné magnetické pole v stroji.
Kostra – magnetické pole v nej je nemenné, zvyčajne býva jednoliata, alebo
zváraná z oceľoliatiny
Póly – jednoliate z oceľoliatiny, alebo zložené z plechov. Magnetické
pole v pólových nadstavcoch môže pulzovať vplyvom drážkovania kotvy.
Zapojenie budiaceho vinutia:
•
•
•
•
Sériové
Paralelné (derivačné)
Cudzie
Kompaudné (zmiešané)
12
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Komutátor
Pôsobí ako mechanický striedač
prúdu v cievkach kotvy.
Komutácia = zmena smeru prúdu
v cievke.
Kefy: Zberacie ústrojenstvo
komutátora. Vyrobené z grafitu,
elektrografitu, bronzgrafitu, atď.
Lamely komutátora: vyrobené z
legovanej medi, vzájomne
odizolované mikanitom (zo sľudy)
Nevýhody komutátora:
• iskrenie
• opotrebovávanie kief -> údržba
• napäťové straty a trenie
13
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Kotva
Kotv
a
Kotva – ukotvuje mag. pole od budenia
Konštrukcia:
•
•
•
•
hriadeľ z konštrukčnej ocele
elektrotechnické plechy s drážkami
tyčové/drôtové vinutie
lamely komutátora
Vinutie:
• Cievky sa zapájajú do série tak, aby
rozdiel indukovaného
(medzilamelového) napätia bol čo
najmenší.
• slučkové/vlnové vinutie
14
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Reakcia kotvy
Magnetické pole kotvy sa uzatvára cez póly,
čím sa môže znížiť výkon stroja.
• Prichádza k asymetrickému rozloženiu
indukcie v magnetickom obvode
• Klesá magnetický tok pólu (1-3 %)
• Vzrastá medzilamelové napätie - iskrenie
(na cievkach v presýtenej časti sa indukuje vyššie
napätie ako na ostatných cievkach)
Mapa výsledného mag. poľa JM
• Posúva sa neutrálne pásmo - iskrenie
(cievky nekomutujú v mieste nulovej indukcie)
Riešenie:
• Použitie pomocných pólov s komutačným
vinutím (rušia smer indukcie v neutrálnom pásme)
• Kompenzačné vinutie v pólových nástavcoch
(ruší pole kotvy)
Pole budenia
Pole kotvy
15
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Spájanie pomocných vinutí
Pomocné (komutačné) vinutie
a kompenzačné vinutie sa zapájajú
do série s kotvou, aby vždy
primerane kompenzovali jej pole.
ΦF - pole budenia (field)
ΦA - pole kotvy (armature)
ΦQ - pole pomocných pólov
ΦA - pole kompenzačného vinutia
16
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Prevádzkové charakteristiky JM
Cudzie budenie:
Otáčková zaťažovacia
charakteristika
Prúdová
charakteristika
Paralelné (derivačné) budenie:
17
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Prevádzkové charakteristiky JM
Sériové budenie:
Otáčková zaťažovacia
charakteristika
Prúdová
charakteristika
Zmiešané (kompaudné) budenie:
18
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Dynamický model JM s cudzím budením
Elektromagnetický subsystém JM
Model obvodu budenia:
Elektrický obvod:
Mag. tok:
Lineárny model:
Nelineárny model:
19
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Dynamický model JM s cudzím budením
Model obvodu kotvy:
Indukované napätie na kotve:
Konštrukčná konštanta stroja:
Elektrický obvod:
p – počet pólových dvojíc
Na – počet závitov kotvy
a – počet paralelných vetiev vinutia
Moment motora:
20
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Dynamický model JM s cudzím budením
Mechanický subsystém JM:
Dynamický moment:
(akceleračný moment
pôsobiaci na hriadeľ)
Moment motora
Moment zotrvačnosti rotora
Moment záťaže
Moment zotrvačnosti záťaže
Uhlové zrýchlenie, uhlová rýchlosť a uhol natočenia
hriadeľa rotora (mechanické veličiny)
21
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Dynamický model JM s cudzím budením
Nelineárny model:
Elektrická
časová
konštanta:
Zanedbáva sa: straty v železe, straty vo vinutí, komutačné straty,
mäkkosť napájacieho zdroja, nesymetrie vinutí, ...
22
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Regulácia otáčok JM
Spôsoby riadenia JM s cudzím budením:
• Zmenou napájacieho napätia U
(motor si zachováva konštantný moment Mn, ale napätie je možné zvyšovať len po
úroveň nominálneho napätia motora Un)
• Zmenou budiaceho napätia Ub
(odbudzovanie spôsobuje rast otáčok pri súčasnom poklese momentu stroja)
• Kombinované riadenie (U aj Ub)
Zvyšovanie
napájacieho
napätia U
Znižovanie
budiaceho
napätia Ub
23
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Brzdenie JM
Mechanické brzdenie:
• elektromagnetická brzda, hydraulické brzdy, ...
• možnosť zabrzdiť stroj do nuly
• stratové – kinetická energia sa premieňa na teplo
Elektrické brzdenie:
• prepnutie motora do generátorického
(dynamo) režimu
• nemožnosť zabrzdiť stroj úplne
Motorický režim
Možnosti elektrického brzdenia:
• do brzdných odporov – stratové
(pri sériových motoroch)
• rekuperačné – do napájacej siete
(pri zvýšení budenia - len pri paralelnom budení)
Generátorický režim
24
Prednáška 1 – Univerzálne motory
EPMS
Univerzálne motory
• môžu byť napájané = aj ~ napätím
• podobná konštrukcia ako u JS motorov
• magnetický obvod zložený z plechov
(kvôli stratám v železe vplyvom striedavého
magnetického poľa)
• väčšinou drôtové vinutie na kotve
• univerzálne motorčeky v domácich
spotrebičoch a v ručnom náradí (vŕtačky,
brúsky, ...)
• jednofázové sériové trakčné motory
(lokomotívy, trolejbusy)
• frekvencia 16 2/3 Hz, napätie 15 kV v
nemeckých krajinách
• frekvencia 50 Hz, napätie 25 kV na
Slovensku
25
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
Použitie JM a UM v moderných
pohonoch
Elektrická trakcia:
26
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
EPMS
DC trakčný motor ABB
27
Prednáška 1 – Jednosmerné motory
Veľké elektrolytické dynamá
EPMS
Servopohony
Štartéry v automobiloch
28
Download

PR1 Jednosmerné motory